基于ABB 軟起動(dòng)器在水泵供水系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

吳海廉

廣西中醫(yī)藥大學(xué)制藥廠 廣西南寧 530023

交流異步電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的性能及無(wú)需維護(hù)的特點(diǎn)，在各行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。由于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生Ie 的5～8 倍的啟動(dòng)電流，形成較大的沖擊電流和起動(dòng)應(yīng)力，大大地降低了負(fù)載設(shè)備的使用壽命。在供水系統(tǒng)中，交流異步電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用最廣泛的電氣設(shè)備之一。

1 概述

廣西中醫(yī)藥大學(xué)制藥廠生產(chǎn)用水是把市政供水管道引到低位水池，然后通過離心泵的作用把低位水池的水抽到高位水池。該水泵采用的是直接起動(dòng)，也稱全壓起動(dòng)，即起動(dòng)設(shè)施通過接觸器將電機(jī)直接接到電網(wǎng)上。該起動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、起動(dòng)速度快，但其危害也很大：電網(wǎng)受到?jīng)_擊和起動(dòng)電流都較大，加快絕緣老化，影響電機(jī)使用壽命；嚴(yán)重的機(jī)械沖擊及過大的沖擊力矩加速了聯(lián)軸節(jié)等的損壞；停止過程中的流體壓力突變產(chǎn)生水錘效應(yīng)，泵系統(tǒng)管道、閥門將受到損傷，使用壽命會(huì)縮短，正常的過程控制也會(huì)受到影響。由于供水系統(tǒng)需要經(jīng)常維修，以及存在缺點(diǎn)與不足。為確保供水系統(tǒng)能夠安全使用，經(jīng)商討，認(rèn)為應(yīng)當(dāng)從起動(dòng)方式和停止方式這兩個(gè)方面入手進(jìn)行改進(jìn)。然而在市場(chǎng)上比較流行用來改變交流異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和停止方式是變頻器或者軟起動(dòng)器。變頻器通過改變輸出電壓和頻率實(shí)現(xiàn)改變異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式與停止方式，廣泛應(yīng)用于需要調(diào)速的場(chǎng)合；軟起動(dòng)器實(shí)質(zhì)上是個(gè)電壓調(diào)整器，在異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)只對(duì)輸出電壓有改變但對(duì)頻率并沒有改變。雖然變頻器集合了軟起動(dòng)器所具備的功能，但是其價(jià)格相對(duì)較昂貴、結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。而且因僅用于離心泵供水，無(wú)需改變頻率?；诖?，決定采用ABB PSTX 系列軟起動(dòng)器。

2 軟起動(dòng)器

2.1 工作原理

軟起動(dòng)器是一種將電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)、軟停車、輕載節(jié)能及多種保護(hù)功能融匯于一體的新式電機(jī)控制裝備，國(guó)外稱為Softstarters。它是由六個(gè)晶閘管組成，采用三相反并聯(lián)的結(jié)構(gòu)作為電壓調(diào)節(jié)器，將其串接于電網(wǎng)與電動(dòng)機(jī)定子之間，通過控制晶閘管觸發(fā)角的大小，便可控制晶閘管調(diào)壓電路輸出電壓的大小。這種電路實(shí)質(zhì)上就是三相全控橋式整流電路，主電路圖見圖1[2]。電動(dòng)機(jī)用軟起動(dòng)器起動(dòng)時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角逐步增大，輸出電壓逐步升高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐步加速；晶閘管導(dǎo)通角完全導(dǎo)通時(shí)，電動(dòng)機(jī)便工作在額定電壓的機(jī)械特性上，完成平穩(wěn)起動(dòng)，可減少起動(dòng)電流，防止起動(dòng)過流而跳閘；電動(dòng)機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，此時(shí)起動(dòng)過程完成，旁路接觸器自動(dòng)吸合替代晶閘管的工作。可減少晶閘管通電工作時(shí)的熱損耗，延長(zhǎng)使用時(shí)間，提升工作能力，避免諧波污染對(duì)電網(wǎng)造成的不良影響。軟起動(dòng)器同時(shí)還提供軟停車功能。軟停車與軟起動(dòng)過程相反，即晶閘管在從接收到停止指令時(shí)，晶閘管導(dǎo)通角根據(jù)設(shè)定時(shí)間逐漸減小，直到設(shè)定時(shí)間為零時(shí)完全關(guān)閉。軟起動(dòng)器可減少電機(jī)啟動(dòng)過程中對(duì)電網(wǎng)的沖擊，減少對(duì)機(jī)械的磨損，可調(diào)啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并且可對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟停止，從而更好的保護(hù)電機(jī)和負(fù)載，是傳統(tǒng)星三角、自耦降壓?jiǎn)?dòng)器的最佳換代產(chǎn)品[3]。

圖1 三相全控橋式整流電路的主電路圖

2.2 主要作用及保護(hù)功能

軟起動(dòng)器主要應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程，通過降低起動(dòng)電壓和電流使電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)可靠起動(dòng)，避免因電網(wǎng)波動(dòng)而影響同一電網(wǎng)其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行。防止因干擾引發(fā)繼電保護(hù)誤動(dòng)作，從而降低起動(dòng)時(shí)對(duì)設(shè)備的沖擊力，減少對(duì)設(shè)備的損害，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

軟起動(dòng)器具有完善的保護(hù)功能，能夠確保軟起動(dòng)器和異步電動(dòng)機(jī)在安全的情況下使用，具體具有以下保護(hù)功能：EOL 電子式過載保護(hù)；子堵轉(zhuǎn)保護(hù)；相保護(hù)；流電壓不平衡保護(hù)；過壓或欠壓保護(hù)；接地故障保護(hù)；電壓輸出保護(hù)；外部溫度傳感器PT100、PTC 保護(hù)；功率因數(shù)欠載保護(hù)；電流欠載保護(hù)；過長(zhǎng)電流限制保護(hù)；旁路開路保護(hù)；現(xiàn)場(chǎng)總線故障保護(hù)；擴(kuò)張IO 故障保護(hù)；HMI 故障保護(hù)。

除了擁有上述保護(hù)功能之外，軟起動(dòng)器還具有完善的故障檢測(cè)功能，比如缺相、高電流、低控制電源電壓、電網(wǎng)、晶閘管過載、短路、并聯(lián)、散熱片過熱、晶閘管開路等故障，大大減少了故障查找與檢修時(shí)間。

2.3 軟起動(dòng)器的起停方式

軟起動(dòng)器主要用電壓斜坡和力矩斜坡兩種啟停方式，如圖2 和圖3 所示。

圖2 電壓起動(dòng)與停止斜坡

圖3 轉(zhuǎn)矩起動(dòng)與停止斜坡

（1）電壓起動(dòng)斜坡：向軟起動(dòng)器發(fā)出起動(dòng)信號(hào)時(shí)，軟起動(dòng)器會(huì)快把初始電壓水平的電壓快速提升到所設(shè)置的起始起動(dòng)電壓；隨后會(huì)對(duì)起動(dòng)斜坡期間的輸出電壓進(jìn)行控制；當(dāng)輸出電壓達(dá)到標(biāo)稱電壓時(shí)，軟起動(dòng)器會(huì)關(guān)閉旁路。

（2）電壓停止斜坡：向軟起動(dòng)器發(fā)出停止信號(hào)時(shí)，軟起動(dòng)器會(huì)在快速停止斜坡期間輸出給電動(dòng)機(jī)的電壓從全壓降到所設(shè)置的初始降壓水平。當(dāng)達(dá)到初始降壓水平時(shí)，軟起動(dòng)器會(huì)在預(yù)設(shè)的停止降壓時(shí)間內(nèi)將輸出電壓控制在終止電壓水平并停止向電動(dòng)機(jī)輸出電壓。

（3）力矩起動(dòng)斜坡：向軟起動(dòng)器發(fā)出起動(dòng)信號(hào)時(shí)，軟起動(dòng)器會(huì)向所設(shè)置的啟動(dòng)斜坡初始水平快速升壓；隨后會(huì)控制輸出電壓，以使輸出轉(zhuǎn)矩在預(yù)設(shè)的時(shí)間內(nèi)遵循預(yù)定義的最佳轉(zhuǎn)矩曲線以達(dá)到100%的標(biāo)稱轉(zhuǎn)矩；當(dāng)輸出電壓達(dá)到100%標(biāo)稱電壓（全壓）時(shí)，軟起動(dòng)器會(huì)關(guān)閉旁路。

（4）力矩停止斜坡：向軟起動(dòng)器發(fā)出轉(zhuǎn)矩停止斜坡時(shí)，軟起動(dòng)器會(huì)對(duì)輸出到電動(dòng)機(jī)的電壓進(jìn)行控制，以使力矩在停止期間按照計(jì)劃好的最佳曲線從初始降壓水平降到終止電壓。

3 軟起動(dòng)器在供水泵中的應(yīng)用

由于軟起動(dòng)器在電機(jī)控制系統(tǒng)中對(duì)電機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行狀態(tài)、停止均能有效控制，并且在電機(jī)不需要調(diào)速的情況下，相對(duì)于變頻器，軟起動(dòng)器既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用。因此，近年軟起動(dòng)器在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用較為廣泛，主要用于控制泵類和風(fēng)機(jī)類負(fù)載。

3.1 起動(dòng)方式的選擇

由圖2 和圖3 可知，電壓起動(dòng)斜坡時(shí)間是指從起始電壓（即設(shè)定電壓）提升到標(biāo)稱電壓所花費(fèi)的時(shí)間；轉(zhuǎn)矩起動(dòng)斜坡時(shí)間是指發(fā)出起動(dòng)信號(hào)（起始電壓為0）到達(dá)到標(biāo)稱轉(zhuǎn)矩（即標(biāo)稱電壓，也叫全壓）所需的時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中，軟起動(dòng)器達(dá)到全壓狀態(tài)所花費(fèi)的實(shí)際時(shí)間還取決于電流，這就意味著達(dá)到全壓所花費(fèi)的時(shí)間可能會(huì)超過所設(shè)置的電壓斜坡時(shí)間。基于此，根據(jù)泵的啟動(dòng)狀態(tài)和負(fù)載特性，選擇電壓起動(dòng)斜坡模式。

3.2 停止方式的選擇

由圖2 和圖3 可知，電壓停止斜坡停止降壓時(shí)間為初始降壓電壓水平到終止電壓的時(shí)間段。其終止電壓由于液體依然存在慣性，在止回閥的作用下對(duì)管道還存在一定的影響；轉(zhuǎn)矩停止斜坡降壓電壓從接到停止指令后，輸出電壓就以波浪形式降壓，直到輸出電壓為零，對(duì)管道有較好的保護(hù)?；诖耍x擇轉(zhuǎn)矩停止模式。

3.3 主要參數(shù)的設(shè)置

（1）啟動(dòng)參數(shù)的設(shè)置：由于電壓起動(dòng)斜坡模式相對(duì)比較單一，不具備電流閉環(huán)控制功能。只要調(diào)整晶閘管導(dǎo)通角與時(shí)間形成一定因變量關(guān)系增加，在電動(dòng)機(jī)實(shí)際起動(dòng)過程中，為避免起動(dòng)電流損壞晶閘管，以及對(duì)電網(wǎng)的影響，初始起動(dòng)電壓與起動(dòng)升壓時(shí)間應(yīng)視使用設(shè)備起停狀況盡量放寬。

（2）停止參數(shù)的設(shè)置：由于轉(zhuǎn)矩停止斜坡屬于軟停車功能，即晶閘管在接收到停止指令時(shí)，晶閘管導(dǎo)通角根據(jù)設(shè)定時(shí)間逐漸減小，直到設(shè)定時(shí)間為零時(shí)完全關(guān)閉的過程。這個(gè)過程可以根據(jù)樓層的高度及管道的長(zhǎng)度，對(duì)停止終止電壓與停止降壓時(shí)間做出相應(yīng)的設(shè)置。

4 實(shí)際效果

通過PSTX 軟起動(dòng)器在水泵供水系統(tǒng)的實(shí)際使用，表明該軟起動(dòng)器具有非常高的可靠性，以及完善的保護(hù)功能，能滿足水泵供水系統(tǒng)的要求。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）軟啟動(dòng)器投入使用后，起動(dòng)電流明顯降低，同電網(wǎng)內(nèi)其他用電設(shè)備受到的影響程度也明顯減少；

（2）采用電壓起動(dòng)斜坡，既保證水泵起動(dòng)特性又實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起動(dòng)，不但對(duì)水泵及管件無(wú)沖擊，而且供電可靠性和供水可靠性均得到提高；

（3）采用轉(zhuǎn)矩停止斜坡，降低對(duì)機(jī)械的沖擊，扼制水錘效應(yīng)，延長(zhǎng)水泵及其相關(guān)設(shè)備的使用壽命；

（4）多種起停模式及保護(hù)功能融于一體，傳統(tǒng)起動(dòng)設(shè)備的諸多弊端得到了根本性的解決，從而有效防止事故的發(fā)生。

5 結(jié)語(yǔ)

軟起動(dòng)器作為多種起停模式及保護(hù)功能融于一體的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)裝置，大大地改善了原來交流異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊，以及對(duì)傳動(dòng)機(jī)械帶來的損害，有效延長(zhǎng)了傳動(dòng)機(jī)械的壽命，降低和扼制了供水系統(tǒng)中的“水錘”效應(yīng)，是當(dāng)前水泵交流異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的首選產(chǎn)品。